調節器控制輸出隨被控量增加而增加，則調節器處于正作用狀態；調節器控制輸出隨被控量增加而減小，則調節器處于反作用狀態。串級控制系統中，必須分別根據各種不同情況，選擇主、副調器的作用方向，昌暉儀表在本文介紹串級控制系統調節器正作用和反作用的選擇方法。

1、串級控制系統中的外給定調節器作為副調節器，副調節器作用方向的選擇是根據工藝安全等要求，選定執行器的氣開、氣關型式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統的原則來確定的。因此，副調節器的作用方向與副對象特性、執行器的氣開、氣關型式有關，其選擇方法與簡單控制系統中調節器正、反作用的選擇方法相同，這時可不考慮主調節器的作用方向，只是將主調節器的輸出作為外給定調節器的給定就行了。



圖1  加熱爐溫度-流量串級控制系統

例如圖1所示的加熱爐溫度-流量串級控制系統中的副回路，如果為了在氣源中斷時，停止供給燃料油，以防燒壞爐子，那么執行器應該選氣開閥，是“正”方向。 當燃料量加大時，燃油量θ2(副變量)是增加的，因此副對象是“正”方向。為了使副回路構成一個負反饋系統，副調節器(外給定調節器)應選擇“反”作用方向。只有這樣，才能當爐膛溫度受到干擾作用上升時，外給定調節器的輸出降低，從而使氣開閥關小，減少燃料量，促使爐膛溫度下降。



圖2  精餾塔塔釜溫度串級控制系統

又如圖2所示的精餾塔塔釜溫度與蒸汽流量的串級控制系統中，如果基于工藝上的考慮，選擇執行器為氣關閥。那么，為了使副回路是一個負反饋控制系統，外給定調節器FC的作用方向應選擇為“正”作用。這時，當由于蒸汽壓力波動而使蒸汽流量增加時，副控制器的輸出就將增加，以使控制閥關小(因是氣關閥)，保證進入再沸器的加熱蒸汽量不受或少受蒸汽壓力波動的影響。 這樣，就充分發揮了副回路克服蒸汽壓力波動這一干擾的快速作用，提高了主變量的控制質量。

2、串級控制系統中主控制器作用方向的選擇可按下述方法進行：當主、副變量在增加(或減小)時，如果由工藝分析得出，為使主、副變量減小(或增加)，要求控制閥的動作方向是一致的時候，主調節器應選“反”作用；反之，則應選“正”作用。

從上述方法可以看出，串級控制系統中主調節器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，與執行器的氣開、氣關型式及外給定調節器的作用方向完全無關。因此，串級控制系統中主、 副調節器的選擇可以按先副后主的順序，即先確定執行器的開、關型式及外給定器的正、反作用，然后確定主調節器的作用方向；也可以按先主后副的順序， 即先按工藝過程特性的要求確定主調節器的作用方向，然后按一般單回路控制系統的方法再選定執行器的開、關型式及外給定調節器的作用方向。

例如圖1所示的加熱爐串級控制系統，不論是主變量θ1或副變量θ2增加時，對控制閥動作方向的要求是一致的，都要求關小控制閥，減少供給的燃料量，才能使θ1或θ2降下來，所以此時主控制器T1C應確定為反作用方向。圖2所示的精餾塔塔釜溫度串級控制系統，由于蒸汽流量(副變量)增加時，需要關小控制閥，塔釜溫度(主變量)增加時，也需要關小控制閥，因此它們對控制閥的動作方向要求是一致的，所以主控制器也應為反作用方向。



圖3  冷卻器溫度串級控制系統示意圖

圖3是冷卻器溫度串級控制系統的示意圖。為了保證被冷卻物料出口溫度的恒定，并及時克服冷劑壓力波動對控制質量的影響，設計了以被冷卻物料出口溫度為主變量，冷劑流量為副變量的串級控制系統。分析冷卻器的特性可以知道，當主變量即被冷卻物料出口溫度増加時，需要開大控制閥，而當副變量即冷劑流量増加時，需要關小控制閥，它們對控制閥動作方向的要求是不一致的，因此主調節器的作用方向應選用正作用。

3、當由于工藝過程的需要，控制閥由氣開改為氣關，或由氣關改為氣開時，只要圖3冷卻器溫度串級控制系統改變外給定調節器的正反作用而不需改變主調節器的正反作用。

但是必須指出，在有些生產過程中，要求控制系統既可以進行串級控制，又可以實現主調節器單獨工作，即切除外給定調節器，由主控制器的輸出直接控制執行器(稱為主控)，這就是說，若系統由串級切換為主控時，是用主控制器的輸出代替原先外給定調節器的輸出去控制執行器，而若系統由主控切換為串級時，是用外給定調節器的輸出代替主調節器的輸出去控制執行器，無論哪一種切換，都必需保證當主變量變化時，去控制閥的信號完全一致。以圖1所示的管式加熱爐出口溫度串級控制系統為例，當執行器為氣開閥時，主調節器和外給定調節器均為反作用。主變量θ1增加時，去執行器的氣壓信號是要求減小的。這樣才能關小閥門，減少燃料供給量，以使溫度θ1下降，當系統由串級切換為主控時，若θ1增加，要求主調節器的輸出也減小，因此這時主控制器仍為反作用的，不需改變方向。相反，如果工藝要求執行器改為氣關閥，那么主調節器為反作用，外給定調節器為正作用。這時若系統為串級控制時，θ1增加，外給定調節器的輸出即去執行器的信號是增加的，這樣才能關小閥門，減少燃料供給量。若這時系統由串級切換為主控，為了保證在θ1增加時，主調節器的輸出，即去執行器的信號仍是增加的，正調節器就必須是正作用，這樣才能保證由串級改為主控后，控制系統(這時實際上是單回路的)是一個具有負反饋的閉環系統。

總之，系統串級與主控切換的條件是：當主變量變化時，串級時外給定調節器的輸出與主控時主調節器的輸出信號方向完全一致。根據這一條件可以斷定：只有當副調節器為“反”作用時，才能在串級與主控之間直接進行切換，如果外給定調節器為“正”作用，則在串級與主控之間進行切換的同時，要改變主調節器的正反作用。為了能使串級系統在串級與主控之間方便地切換，在執行器氣開、氣關型式的選擇不受工藝條件限制，可以任選的情況下，應選擇能使外給定調節器為反作用的那種執行器類型，這樣就可免除在串級與主控切換時來回改變主調節器的正、反作用。

串級控制系統中主調節器選用的是單回路調節器，副調節器選用的是外給定調節器。在實際運用中，很多儀表工對整定調節器PID參數有畏難情緒，昌暉儀表建議大家盡量選用自整定功能和控制算法先進的人工智能調節器，一般工況通過1-3次自整定就可以獲得較好的控制效果，也節省您的時間。

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